本實(shí)用新型屬于污水處理技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種過(guò)濾型生物陰極微生物脫鹽電池。

背景技術(shù)：

污水中的有機(jī)物蘊(yùn)含有大量的化學(xué)能，其化學(xué)能的能量密度約為1.93kW/m³，遠(yuǎn)高于污水處理過(guò)程中需要消耗的能量。然而，傳統(tǒng)的污水處理則是通過(guò)消耗巨大能量(如曝氣、水泵等等)來(lái)實(shí)現(xiàn)污水中有機(jī)物的氧化分解，沒(méi)有有效回收利用污水中化學(xué)能。因而，傳統(tǒng)的污水處理過(guò)程具備能耗高等缺點(diǎn)。

微生物脫鹽電池(Microbial Desalination Cell,MDC)作為一種新型的低能耗污水處理技術(shù)。MDC一般由一個(gè)微生物陽(yáng)極、陰極(生物陰極、化學(xué)陰極、空氣陰極等)、以及陰陽(yáng)極之間的離子交換膜堆組成。在運(yùn)行時(shí)，污水進(jìn)入陽(yáng)極，污水中的有機(jī)物在陽(yáng)極厭氧產(chǎn)電微生物的作用下氧化分解釋放電子，電子通過(guò)外部電路到達(dá)陰極，在陰極發(fā)生還原反應(yīng)(如還原O2、化學(xué)氧化劑等)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)電。與此同時(shí)，陰陽(yáng)極之間產(chǎn)生電場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)離子交換膜堆中鹽水的陰陽(yáng)離子移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)脫鹽。因而，MDC能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)污水處理、產(chǎn)電以及脫鹽。

然而，傳統(tǒng)的MDC也具有一些缺點(diǎn)：

(1)出水水質(zhì)較差。MDC的陽(yáng)極微生物雖然可以降解污水中的有機(jī)物，但其降解速率和程度均較低，且不能對(duì)污水中的營(yíng)養(yǎng)元素(如氮磷等)及顆粒物實(shí)現(xiàn)有效去除，因而出水水質(zhì)不能滿足現(xiàn)有排放要求。

(2)淡水產(chǎn)水率較低。在運(yùn)行過(guò)程中傳統(tǒng)MDC會(huì)同時(shí)產(chǎn)生多種出水，如陽(yáng)極出水、陰極出水、淡水以及濃水，其中淡水為唯一的有用水，但是傳統(tǒng)MDC中淡水的產(chǎn)率較低。

膜分離技術(shù)是一種成熟的污水處理技術(shù)，其中的微濾膜孔徑為0.1-1.0微米，能夠?qū)崿F(xiàn)污水中懸浮物、微生物以及一些大分子物質(zhì)的截留，實(shí)現(xiàn)污水的深度處理。由于該技術(shù)具有出水水質(zhì)好、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，目前微濾膜分離技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于污水處理、食品加工等行業(yè)，取得了良好的效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，提供一種過(guò)濾型生物陰極微生物脫鹽電池，將過(guò)濾膜和生物陰極型微生物脫鹽電池耦合，過(guò)濾膜能實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物的攔截分離，強(qiáng)化水處理效果；而生物陰極能實(shí)現(xiàn)氧氣的還原產(chǎn)生電能，同時(shí)對(duì)污染物的具有降解作用。

本實(shí)用新型提供一種過(guò)濾型生物陰極微生物脫鹽電池，包括：

陽(yáng)極室，所述陽(yáng)極室內(nèi)設(shè)有陽(yáng)極，其上附著有陽(yáng)極產(chǎn)電微生物；

陰極室，其通過(guò)管道與所述陽(yáng)極室連接，接收來(lái)自陽(yáng)極室的陽(yáng)極出水，所述陰極室內(nèi)分別設(shè)有陰極、過(guò)濾裝置和曝氣裝置，所述陰極上附著有陰極產(chǎn)電微生物；以及，

位于所述陽(yáng)極室和陰極室之間的淡室和濃室，所述淡室和濃室通過(guò)交替設(shè)置的離子交換膜分隔而成，并通過(guò)管道與所述陰極室連接，接收來(lái)自陰極室過(guò)濾裝置的陰極出水；

其中，所述陽(yáng)極室內(nèi)的陽(yáng)極通過(guò)外部電路連接所述陰極室內(nèi)的陰極。

根據(jù)本實(shí)用新型，所述附著于陽(yáng)極上陽(yáng)極產(chǎn)電微生物通過(guò)氧化分解污水中的有機(jī)物釋放電子到陽(yáng)極上，所述電子通過(guò)外部電路傳遞到陰極；所述附著于陰極上的陰極產(chǎn)電微生物通過(guò)與由陽(yáng)極傳遞過(guò)來(lái)的電子發(fā)生還原反應(yīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)電。

根據(jù)本實(shí)用新型的一些實(shí)施方式，所述過(guò)濾裝置用于對(duì)進(jìn)入陰極室內(nèi)的陽(yáng)極出水進(jìn)行過(guò)濾處理，去除其中的懸浮物、細(xì)菌和部分有機(jī)物。

根據(jù)本實(shí)用新型的一些實(shí)施方式，所述曝氣裝置位于所述過(guò)濾裝置的下方，通過(guò)所述曝氣裝置對(duì)所述陰極室內(nèi)的陽(yáng)極出水進(jìn)行曝氣處理，曝氣能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)陰極的產(chǎn)電、污染物的進(jìn)一步去除、以及降低過(guò)濾裝置的污染速度。

根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，對(duì)于所述陽(yáng)極材料沒(méi)有特別的限定，選擇能附著相應(yīng)的產(chǎn)電微生物，且能防止化學(xué)或生物腐蝕的材料即可。

根據(jù)本實(shí)用新型的一些實(shí)施方式，所述陽(yáng)極材料包括碳基材料和/或金屬材料。在一些具體的實(shí)施例中，所述陽(yáng)極材料包括活性炭顆粒、碳刷、石墨、碳布、不銹鋼網(wǎng)和鎳刷中的一種或幾種。

根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，對(duì)于所述陽(yáng)極產(chǎn)電微生物沒(méi)有特別的限定，例如可選擇希瓦氏菌(Shewanella)。

根據(jù)本實(shí)用新型的一些實(shí)施方式，對(duì)于所述陰極材料沒(méi)有特別的限定，選擇能附著相應(yīng)的產(chǎn)電微生物，且能防止化學(xué)或生物腐蝕的材料即可。

根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，所述陰極材料包括碳基材料和/或金屬材料。在一些具體的實(shí)施例中，所述陰極材料包括活性炭顆粒、碳刷、石墨、碳布、不銹鋼網(wǎng)和鎳刷中的一種或幾種。

根據(jù)本實(shí)用新型的一些實(shí)施方式，對(duì)于所述陰極產(chǎn)電微生物沒(méi)有特別的限定，例如可選擇地桿菌(Geobacter)。根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，所述過(guò)濾裝置包括過(guò)濾膜。

根據(jù)本實(shí)用新型的一些實(shí)施方式，對(duì)于所述過(guò)濾膜沒(méi)有特別的限定，選擇本領(lǐng)域具有污水過(guò)濾功能的過(guò)濾膜即可。

在一些具體實(shí)施例中，所述過(guò)濾膜包括有機(jī)膜、無(wú)機(jī)膜和金屬膜中的一種或幾種。

根據(jù)本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，所述過(guò)濾膜的孔徑為50-2000nm。

根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，所述離子交換膜包括交替設(shè)置的陽(yáng)離子交換膜和陰離子交換膜，靠近陽(yáng)極一側(cè)的所述離子交換膜為陽(yáng)離子交換膜，靠近陰極一側(cè)的所述離子交換膜為陰離子交換膜。在本實(shí)用新型中，“靠近”是一個(gè)相對(duì)的概念，靠近陽(yáng)極一側(cè)是指距離陽(yáng)極的距離小于距離陰極的距離，靠近陰極一側(cè)是指距離陰極的距離小于距離陽(yáng)極的距離。

根據(jù)本實(shí)用新型的一些實(shí)施方式，所述陰極出水進(jìn)入淡室和濃室后，在內(nèi)部電場(chǎng)的作用下，陰極出水中的陽(yáng)離子穿過(guò)所述陽(yáng)離子交換膜向陰極方向移動(dòng)，陰極出水中的陰離子穿過(guò)所述陰離子交換膜向陽(yáng)極方向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鹽分的脫除。

在一些具體的實(shí)施例中，通過(guò)所述交替設(shè)置的陽(yáng)離子交換膜和陰離子交換膜將形成交替分隔的濃室和淡室，所述陰極出水分別進(jìn)入所述濃室和淡室，在內(nèi)部電場(chǎng)的作用下，陰極出水中的陽(yáng)離子穿過(guò)所述陽(yáng)離子交換膜向陰極方向移動(dòng)，陰極出水中的陰離子穿過(guò)所述陰離子交換膜向陽(yáng)極方向移動(dòng)，在所述濃室和淡室內(nèi)分別得到富集了鹽分的濃水和脫除了鹽分的淡水。

根據(jù)本實(shí)用新型的一些實(shí)施方式，對(duì)于所述離子交換膜沒(méi)有特別的限定，選擇本領(lǐng)域常用的電滲析離子交換膜即可。在一些具體的實(shí)施例中，所述離子交換膜的厚度為0.2-0.5mm，透過(guò)率≥90％，交換容量為≥1mol/kg，爆破強(qiáng)度≥0.3MPa。

根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，對(duì)于所述離子交換膜的數(shù)量沒(méi)有特別的限定，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行中對(duì)濃水和淡水的出水水質(zhì)需求設(shè)置。

本實(shí)用新型過(guò)濾型生物陰極微生物脫鹽電池通過(guò)附著于陽(yáng)極和陰極上的產(chǎn)電微生物實(shí)現(xiàn)產(chǎn)電，將污水中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能；同時(shí)，在電極產(chǎn)生的電場(chǎng)的作用下，污水中的陰陽(yáng)離子移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了脫鹽，即又將該電能用于污水的處理，無(wú)需外加電場(chǎng)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)污水的處理，并且產(chǎn)生的電能不浪費(fèi)。

根據(jù)本實(shí)用新型的過(guò)濾型生物陰極微生物脫鹽電池，還包括：

連通所述陽(yáng)極室、陰極室、淡室和濃室之間的管路；

位于所述管路上的水泵，用于各級(jí)進(jìn)水和出水的流通；

任選的外部循環(huán)瓶，其通過(guò)管路分別與所述陰極室、淡室及濃室分別連通。

根據(jù)本實(shí)用新型的一些實(shí)施方式，陰極出水可任選地進(jìn)入外部循環(huán)瓶，所述外部循環(huán)瓶中的陰極出水可在外部循環(huán)瓶與淡室及濃室內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)多次脫鹽過(guò)程。

本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)和有益技術(shù)效果如下：

本實(shí)用新型將過(guò)濾膜和生物陰極型微生物脫鹽電池耦合，過(guò)濾膜能實(shí)現(xiàn)對(duì)污水中懸浮物和有機(jī)物的攔截分離，而生物陰極一方面能實(shí)現(xiàn)氧氣的還原產(chǎn)生電能，另一方面能對(duì)污染物進(jìn)行降解，對(duì)污水的處理效率高，處理效果好。本實(shí)用新型微生物脫鹽電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，出水水質(zhì)優(yōu)異，非常適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用。

附圖說(shuō)明

圖1為根據(jù)本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例的過(guò)濾型生物陰極微生物脫鹽電池的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行流程示意圖(連續(xù)運(yùn)行)；

圖2為根據(jù)本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例的過(guò)濾型生物陰極微生物脫鹽電池的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行流程示意圖(間歇運(yùn)行)；

附圖標(biāo)記說(shuō)明：1、陽(yáng)極；2、陰極；3、過(guò)濾裝置；4、曝氣裝置；5、陽(yáng)離子交換膜；6、陰離子交換膜；7、外部電阻；8、污水進(jìn)水；9、陽(yáng)極出水；10、陰極出水；11、濃水出水；12、淡水出水；13、水泵；14、外部循環(huán)瓶；15、陽(yáng)極材料；16、陰極材料；17、陽(yáng)極產(chǎn)電微生物；18、陰極產(chǎn)電微生物；19、濃室；20、淡室。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。

實(shí)施例1

如圖1、2所示，本實(shí)用新型過(guò)濾型生物陰極微生物脫鹽電池包括陽(yáng)極室、陰極室以及位于所述陽(yáng)極室和陰極室之間的淡室和濃室。

其中，所述陽(yáng)極室的尺寸為20×7×3.5cm，體積為490mL，有效截面積為140cm²；其內(nèi)設(shè)有陽(yáng)極1，陽(yáng)極1的腔體中填充顆粒狀活性炭作為電極材料和載體供產(chǎn)電微生物附著生長(zhǎng)，活性炭顆粒的直徑為～2mm，長(zhǎng)度為～5mm；陽(yáng)極的集電方式采用雙側(cè)集電，集電材料選用鈦網(wǎng)，鈦網(wǎng)孔徑約為0.2×0.2cm；陽(yáng)極1上附著有陽(yáng)極產(chǎn)電微生物希瓦氏菌(Shewanella)，并且通過(guò)外部電路與陰極室的陰極2連接。

陰極室的尺寸為20cm×7cm×6.5cm，體積為910mL，其內(nèi)設(shè)有陰極2、過(guò)濾裝置3和曝氣裝置4，陰極2包括兩個(gè)陰極柱，分別設(shè)置于陰極室的相對(duì)兩側(cè)，其腔體內(nèi)填充顆粒狀活性炭作為電極材料和載體供產(chǎn)電微生物附著生長(zhǎng)，活性炭顆粒的直徑為～2mm，長(zhǎng)度為～5mm，兩個(gè)陰極柱中活性炭填充床的厚度分別為3.0cm和2.0cm，均采用雙側(cè)集電方式，集電材料選用鈦網(wǎng)，鈦網(wǎng)孔徑約為0.2×0.2cm；陰極柱上附著有陰極產(chǎn)電微生物地桿菌(Geobacter)；過(guò)濾裝置3位于兩個(gè)陰極柱的中間上部，采用中空纖維膜作為過(guò)濾元件，中空纖維膜的內(nèi)外直徑分別為1.0mm和1.9mm，平均孔徑為0.3μm，強(qiáng)度大于100N，總有效面積為40.2cm²；在所述過(guò)濾裝置的下方設(shè)有曝氣裝置，運(yùn)行時(shí)進(jìn)行曝氣，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)電、污染物深度去除及膜污染控制。

陽(yáng)極和陰極間交替設(shè)置有三對(duì)陽(yáng)離子交換膜5和陰離子交換膜6，構(gòu)成2個(gè)淡室和3個(gè)濃室，其中陽(yáng)離子交換膜的交換容量為2.0mol/kg，陰離子交換膜的交換容量為1.8mol/kg，每個(gè)濃室和淡室的厚度均為0.5cm，空床體積為70mL。為降低所述過(guò)濾型生物陰極微生物脫鹽電池的內(nèi)阻，在濃室和淡室中均填充混合陽(yáng)離子交換樹脂(Na型，交換容量為4.2mmol/g)和陰離子交換樹脂(Cl型，交換容量為4.0mmol/g)作為離子導(dǎo)體，陰陽(yáng)離子交換樹脂的重量填充比為1.4:1.0。

應(yīng)當(dāng)注意的是，以上所述的實(shí)施例僅用于解釋本實(shí)用新型，并不構(gòu)成對(duì)本實(shí)用新型的任何限制。通過(guò)參照典型實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行了描述，但應(yīng)當(dāng)理解為其中所用的詞語(yǔ)為描述性和解釋性詞匯，而不是限定性詞匯?？梢园匆?guī)定在本實(shí)用新型權(quán)利要求的范圍內(nèi)對(duì)本實(shí)用新型作出修改，以及在不背離本實(shí)用新型的范圍和精神內(nèi)對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行修訂。